Широкополосные трансформаторы

В широкополосных согласующих устройствах, как правило, фильтры гармоник не трансформируют сопротивление нагрузки. Эта задача решается с помощью широкополосных трансформаторов (ШПТ). Эти трансформаторы в радиопередающих устройствах выполняют многообразные функции: трансформация сопротивлений, переход от несимметричных схем к симметричным и наоборот, сложение и деление мощности, инверсия фазы высокочастотного напряжения.

Основные параметры ШПТ:

– передаваемая мощность (от долей ватта до нескольких киловатт),

– входное и выходное сопротивления (от единиц до сотен Ом),

– коэффициент трансформации n=U_вых / U_ВХ или N = R_вых / R_вх,

– коэффициент полезного действия трансформатора (0,8 – 0,95),

– диапазон рабочих частот (верхняя и нижняя частоты) f_н – f_в.

В устройствах согласования используются ШПТ двух типов – трансформаторы с магнитной связью между обмотками и трансформаторы на отрезках длинных линий (ТДЛ).

Широкополосные трансформаторы с магнитной связью

В этих трансформаторах высокочастотная энергия из первичной цепи во вторичную передается за счет общего магнитного поля в магнитопроводе. На рис.10.11 и рис.10.12 приведены схема трансформатора и его эквивалентная схема для высоких частот.

Рис.10.11

Рис.10.12

На рис. 10.11 и 10.12 приняты следующие обозначения:

n = U₂/U₁ – коэффициент трансформации,

С1 и С2 – межвитковые емкости обмоток трансформатора,

С1,2 – емкость между обмотками трансформатора,

Ls1 и Ls2 – индуктивности рассеяния этих обмоток,

r1 и r2 – сопротивления потерь обмоток,

L1 – индуктивность первичной обмотки,

И.Т. – идеальный трансформатор,

R₀ – сопротивление, учитывающее потери в ферритовом сердечнике,

R_н – сопротивление нагрузки.

На низких частотах можно считать, что сопротивления конденсаторов С1 и С2 велики, а сопротивления индуктивностей Ls1 и Ls2 малы в сравнении с сопротивлением нагрузки, пересчитанным к входным зажимам трансформатора:

R_вх = R_н / n² = R_н / N,

где N = n² = R_н/R_вх – коэффициент трансформации по сопротивлению.

Пренебрегая потерями в магнитопроводе (R_c = ∞), получим эквивалентную схему трансформатора, изображенную на рис.10.13,а.

Рис.10.13

Очевидно, что сопротивление нагрузки, трансформированное к входным зажимам трансформатора R_вх, будет активным, если шунтирующим действием индуктивности L1 первичной обмотки трансформатора на нижней рабочей частоте передатчика ω_н можно пренебречь. На этой частоте должно выполняться условие:

ω_н L1 >> Rвх.

Вполне достаточно, если сопротивление индуктивности на ω_Н будет превосходить Rвх в 8 – 10 раз. Минимальная величина индуктивности первичной обмотки трансформатора :

L1 = ;

На высоких частотах ω_В шунтирующее действие оказывают емкости С1 и С2. Кроме того, следует учитывать сопротивления индуктивностей рассеяния и межобмоточной емкости С1,2. Эквивалентная схема трансформатора на высоких частотах изображена на рис.10.13,б. Суммарное сопротивление емкостей С1 и пересчитанной ко входным зажимам трансформатора емкости С2 должно в 8 – 10 раз превышать входное сопротивление Rвх:

1/ω_В (С1 + n² C2) = (8 – 10)R_H / n².

В свою очередь, сопротивление индуктивностей рассеяния на ω_В должно быть существенно меньше R_вх:

ω_В (L_s1 + L_s2 / n²) = R_H / (8 – 10) n²;

Для расширения рабочей полосы частот следует увеличивать L1 и уменьшать С1, С2, L_s1 и L_s2. Очевидно, что требования эти противоречивы и выполнение их зависит от рациональной конструкции трансформатора. Индуктивность L1, от которой зависит нижняя частота полосы пропускания трансформатора, определяется числом витков этой индуктивности и магнитной проницаемости ферритового сердечника μ. С увеличением числа витков растут межвитковые и межобмоточные емкости, что приводит к снижению верхней частоты ω_В. Использование ферритов с большим μ увеличивает потери в сердечнике. Стремление уменьшить индуктивности рассеяния делает необходимым размещать витки вторичной обмотки между витками первичной, что сопровождается увеличением С1,2.

При удачной конструкции трансформаторы с общим магнитным потоком можно получить коэффициент перекрытия по частоте 10² – 10 ³ в диапазоне частот от сотен килогерц до 100 МГц. Применять эти трансформаторы следует только при относительно больших сопротивлениях нагрузки (R_н > 50 Ом). Область применения трансформаторов с общим магнитным потоком – ламповые усилители малой и средней мощности, а так же маломощные транзисторные ГВВ.

Сопротивления нагрузки мощных транзисторных усилителей имеют величину в единицы – десятки Ом. Реактивное сопротивление индуктивностей рассеяния и выводов трансформатора на высоких частотах получается того же порядка, то есть сопротивление нагрузки ГВВ будет иметь комплексный характер, что недопустимо.